CC BY
11
УДК 544.032.53
Алисултанов М.Э., Абдурахмонов О.Э., Вертаева Д.А., Мурадова А.Г.
ВЛИЯНИЕ СТЕХИОМЕТРИЧЕСКОГО СОСТАВА НАНОСТУКТУРИРОВАННОГО СПЛАВА Nd-Fe-B НА МАГНИТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
Алисултанов Марат Эхсанович - магистрант 1-го года обучения, кафедры наноматериалов и нанотехнологии; e-mail: [email protected].
Абдурахмонов Одилжон Эшмухаммад угли - аспирант 4-го года обучения кафедры наноматериалов и нанотехнологии
Вертаева Дарья Алексеевна - магистрант 1-го года обучения, кафедры наноматериалов и нанотехнологии; Мурадова Айтан Галандаровна - к.х.н., доцент кафедры наноматериалов и нанотехнологии. ФГБОУ ВО ФГБОУ ВО «Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева», Россия, Москва, 125047, Миусская площадь, дом 9.
В статье представлен химический метод синтеза постоянных магнитов Nd-Fe-B с различным стехиометрическим составом. Были получены наноструктурированные порошки со следующим стехиометрическим составом: NdnFe84B6, Nd14Fe80B6, Nd16Fe76B8 и Nd^Fe72B8. Изучено влияние содержания Nd и B на содержание фазы Nd2Fe^B и магнитные характеристики.
Ключевые слова: постоянные магниты, Nd-Fe-B, Nd2Fe^B, неодимовые магниты, магнитные наночастицы, наночастицы.
EFFECT OF STOICHIOMETRIC COMPOSITION OF Nd-Fe-B NANOSTRUCTURED ALLOY ON MAGNETIC CHARACTERISTICS
Alisultanov M.E., Abdurakhmonov O.E., Vertaeva D.A., Muradova A.G. Mendeleev University of Chemical Technology, Moscow, Russian Federation
The article presents a chemical method for the synthesis of Nd-Fe-B permanent magnets with different stoichiometric composition. Nanostructured powders with the following stoichiometric compositions were obtained: NdnFe84B6, NduFe80B6, Nd16Fe76B8 and Nd16Fe72^8. The effect of Nd and B content on the Nd2Fe14B phase content and magnetic characteristics was studied.
Key words: permanent magnets, Nd-Fe-B, Nd2Fe^B, neodymium magnets, magnetic nanoparticles, nanoparticles.
Введение
Постоянные магниты на основе редкоземельных металлов после намагничивания могут создавать большие, постоянные магнитные поля сопоставимые с электромагнитами в связи с чем они нашли широкое применение в статорах и роторах двигателей, генераторах электроэнергии, тормозах, подшипниках и муфтах [1-4].
Редкоземельных магнитные сплавы, а именно самарий-кобальт (Sm-Co) и неодим-железо-бор (Ш-Ре-Б), на сегодняшний день имеют наибольшее произведение энергии и являются более эффективными, поскольку они позволяют уменьшать размер и вес компонентов благодаря их высоким магнитным характеристикам [5-6]. В частности, магниты на основе сплава №-Ре-Б благодаря более высоким характеристикам, более дешевому производству и невысокому стоимостью сырья, относительно Sm-Co, являются наиболее доступными и широко распространены [7-8].
В данной работе представлен химический синтез магнитотвердого сплава системы Nd-Fe-B. Химический метод позволяет контролировать размер в диапазоне однодоменности для Nd-Fe-B 110-230 нм, благодаря чему можно добиться высоких магнитных характеристик за счет
наноструктурирования [9-10].
Экспериментальная часть
В качестве прекурсоров были использованы
следующие реагенты: Ш(Ж)з)з*6Н20 (99.9%), FeCl3*6H20 (99.9%), NaBH4 (99.8%), NH4OH (24%, 0.91 r/cM3),NaOH (99%), CaH2 (95%), аргон Ar (99,9%).
Магнитные измерения проводили с помощью установки для измерения физических свойств "Quantum Design" Physical Property Measurement System (PPMS), оборудованной
вибромагнитометрической вставкой (VSM).
Из раствора солей, методом химического осаждения c последующим прокаливанием были получены наночастицы: Nd2O3, Fe2O3, Fe3BO6. Полученные порошки Nd2O3, Fe2O3, Fe3BO6 смешали в стехиометрическом соотношении: Nd12Fe84B6, Ndi4Fe8oB6, Ndi6Fe76B§ и Ndi6Fe72B§, ультразвуковым воздействием во фреоне, для однородного перемешивания. Далее полученную смесь грели до полного испарения фреона.
После проводили двухстадийный
восстановительно-диффузионный процесс. На первой стадии восстановление проводили в потоке смеси газов 95%Ar + 5%H2 при температуре 900 °C в течение 2 ч. На второй стадии для полного восстановления в полученную смесь добавили CaH2 и тщательно перемешивали. Восстановление проводили в среде Ar при температуре 800 °C в течение 1 ч. Для удаления образовавшегося CaO
проводили промывку раствором NH4Cl в C2H5OH. Обсуждение результатов
Изучения магнитных характеристик проводили, изменяя начальное стереохимическое соотношение полученных полупродуктов: Nd2O3, Fe2O3, Fe3BO6.
Известно, что коэрцитивная сила зависит от содержания фазы Nd2Fe14B, соответственно за счет увеличения содержания данной фазы можно повысить коэрцитивную силу
наноструктурированного сплава Nd-Fe-B. Для этого были получены порошки наноструктурированного сплава Nd-Fe-B со следующим стехиометрическим составом: Nd^Fe84B6, Nd^Fe80B6, Nd16Fe76B8 и Nd16Fe72B8. Петли магнитного гистерезиса для Nd12Fe84B6, Nd14Fe80B6, Nd^Fe76B8 и Nd^Fe72B8 представлены на рисунке 1 а, б, в, г.
Порошок наноструктурированного сплава Nd-Fe-B со следующим стехиометрическим составом Nd12Fe84B6 после процесса промывки, по данным РФА, состоит из смеси магнитотвердой фазы 76,1 мас.% Nd2Fe14B и магнитомягкой фазы 23,9% a-Fe. По данным РФА порошок со стереохимическим составом Nd14Fe80B6 состоит из двух фаз с содержанием: 91,1% Nd2Fe14B и 8,9% a-Fe. В
порошке со стехиометрическим составом Nd16Fe76B8 по данным РФА не наблюдалось содержания магнитомягкой фазы a-Fe, он состоит из фазы Nd2Fe14B. По данным РФА в порошке со стехиометрическим составом Nd16Fe72B8, было обнаружено образование двух фаз с содержанием: 90,2% Nd2Fe14B и 9,8% ШШ.
Установлено, что с увеличением содержания Nd и B в наноструктурированном сплаве со следующими стехиометрическими составами Nd14Fe80B6 и Nd16Fe76B8 наблюдается увеличение содержания магнитотвердой фазы Nd2Fe14B. Наблюдалось так же увеличение коэрцитивная силы в сплаве стехиометрического состава Nd16Fe76B8, достигая значения Hc=8439 Э у Nd16Fe76B8, компенсируя уменьшение значений удельной намагниченности насыщения до Ms=109,00 Ам2/кг и остаточной намагниченности Mr=78,01 Ам2/кг (таблица 1). Уменьшение остаточной намагниченности связано с уменьшением содержания фазы a-Fe. Поскольку по результатам РФА наноструктурированный сплав Nd16Fe76B8 состоит в основном из фазы Nd2Fe14B и при этом фазы a-Fe не наблюдалось.
-20000 -10000 0 10000 20000 НДЭ)
150-1
100-
■о 50-
0-
* <
2 -50-
100-
150-
1 1 — / /Ms=109,00 '
Мг=7§101_ _ Нс=843Э Í ' -■Щ. I
В
Nd Fe В 14 U S -1---1--- _______—* i ^—,— / Ms-121,22 "
Mr=89,99_ Нс=4845 / \/
б
-20000 -10000 0 10000 20000 Н,(Э)
150
-100-
-20000 -10000
0 10000 20000 -20000 ' -10000 0
н, (Э) н, (Э)
Рисунок 1. Петли магнитного гистерезиса для наноструктурированного сплава М-Гг-Б со следующими стехиометрическими составами: Ndl2Fe84Bб (а), ШмГгвоВб (б), Ш^ГвубВв (в), и Ш1бЕе72Вв (г). Не -коэрцитивная сила, Мг - удельная остаточная намагниченность, Ms -удельная намагниченность насыщения
10000 20000
Таблица 1 Магнитные характеристики наноструктурированного сплава Nd-Fe-B с различными
стехиометрическими составами
Состав Нс, Э Ms, А-м2/кг Mr, А-м2/кг
Ndi2Fe84B6 3295 i32,0i 99,53
Ndi4Fe80B6 4890 i2i,22 89,99
Ndi6Fe76B8 8439 i09,00 78,0i
Ndi6Fe72B8 8355 73,02 5i,0i
Как показано в таблице 1, магнитные характеристики значительно зависят от содержания Nd. Коэрцитивная сила наноструктурированного сплава Ndi6Fe72Bs уменьшилась по сравнению с образцом стехиометрического состава Ndi6Fe76Bs, что связано с увеличением содержания Nd, так же значительно понижаются значения удельной намагниченности насыщения и удельной остаточной намагниченности.
Ухудшение магнитных характеристик
объясняется наличием парамагнитной фазы NdH2 в наноструктурированном сплаве стехиометрического состава Ndi6Fe72B§.
В наноструктурированных сплавах со стехиометрическим составом Ndi2Fe84B6 и Ndi4FesoB6 наблюдались низкие значения коэрцитивной силы Нс=3295 Э и Нс=4890 Э и высокие значения удельной остаточной намагниченности Mr=99,53 А м2/кг и Mr=89,99 А м2/кг соответственно. Что объясняется высоким содержанием в данных образцах магнитомягкой фазы a-Fe. Заключение
Было установлено, что контролируя содержание Nd и B, можно получить наноструктурированный сплав Nd-Fe-B с высокими магнитными характеристиками.
Полученный наноструктурированный сплав со стехиометрическим составом Ndi6Fe76Bs обладает оптимальными магнитными характеристиками Нс=8439Э, Mr=78,01А•м2/кг соответственно.
Измерения магнитных характеристик выполнены на оборудовании Центра коллективного пользования им. Д.И. Менделеева в рамках государственного контракта №13.ЦКП.21.0009
Список литературы
1. Abdurakhmonov O.E., Yurtov E.V., Savchenko E.S., Savchenko A.G. Chemical synthesis and research nanopowder of magnetic hard alloy Ndi5Fe78B7 // Journal of Physics Conference Series. 2020. Т. 1688. № 1. С. 0i200i-i-0i200i-6.
2. Coey J.M.D. Magnetism and magnetic materials. Cambridge University Press, 2009, P. 633.
3. Skomski, R. Permanent Magnets: History, Current Research, and Outlook // Springer Series in Materials Science, 20i6. P. 359-395.
4. Абдурахмонов О.Э., Алисултанов М.Э., Вертаева Д.А., Мурадова А.Г. Исследование влияния температуры отжига на кристаллизацию наночастиц Nd2O3, синтезированных методом осаждения// Журнал неорганической химии. 2022. Т. 67, № 7, С. 1032-i038.
5. Абдурахмонов О.Э., Алисултанов М.Э., Вертаева Д.А., Шарапаев А.И., Мурадова А.Г. Химический метод синтеза нанопорошков Nd2Fei4B // Химическая промышленность сегодня. 2022. Т. 1. С. 14-25.
6. Абдурахмонов О.Э., Юртов Е.В., Савченко А.Г., Савченко Е.С. Химический синтез и исследование нанопорошков магнитотвёрдого сплава Ndi5Fe78B7 // Сб. тез. докл. VII Всероссийская конференция по наноматериалам «НАНО 2020» Москва, 2020. С i97-i98.
7. Deheri P.K., Swaminathan V., Bhame S. D., Liu Z., Ramanujan R.V. Sol-Gel Based Chemical Synthesis of Nd2Fei4B Hard Magnetic Nanoparticles // Chem. Mater. 2010. Vol. 22, № 24. P. 6509-65i7.
8. Алисултанов М.Э., Абдурахмонов О.Э., Юртов Е.В., Савченко Е.С., Савченко А.Г. Механохимический синтез и исследование магнитных нанопорошков Nd2Fei4B // Сб. научн. трудов «Успехи в химии и химической технологии». ТОМ XXX IV. 2020. № 10. С. 6063.
9. Абдурахмонов О.Э., Алисултанов М.Э., Юртов Е.В. Химический синтез наноструктурированного магнитотвердого сплава системы Nd-Fe-B // Научно-практические проблемы в области химии и химических технологий». Труды Кольского Научного центра 2021 №2 (12). С. 11-i3.
10. Алисултанов М.Э., Абдурахмонов О.Э., Юртов Е.В. Химический синтез магнитотвердых нанопорошков Nd2Fei4B // Сб. научн. трудов «Успехи в химии и химической технологии». ТОМ XXX V. 2021. № 9. С. 9-ii.
